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[摘 要]本文是在前人工作的基础上，借助电磁仿真工具HFSS设计出一款宽频高增益的新型平面偶极子天线，并制板测试，应用于2G/3G室内通信集成终端器件，性能满足实际工程需求。
[关键词]宽带 平面偶极子 交叉馈电 缝隙耦合 异面偶极子
中图分类号：TN821.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）10-0006-01
1.天线设计
如图1所示，图1a为天线的俯视图，图1b为天线的仰视图.图1中的阴影部分为镀铜层，1，2，3，4分别为馈面上挖的渐变槽，c+、c-为渐变传输线.此天线采用背馈技术从中心处馈电，通过同轴线将电磁波传送到c+，经过阻抗变换后传输给辐射面a+，传输线的距离为41.5mm.在传输的过程中，传输线边缘电磁波通过耦合将部分电磁波辐射到b+，再由b+达到部分辐射效果.在底面中，b-接地，寄生辐射单元a-，c-与b-耦合的同时，也接受b+的耦合效果.为改善整个馈线与辐射面的耦合效果，1，2，3，4的结构调谐了整个结构的耦合系数。
天线在整体结构设计中均是利用交叉馈电异面结构和缝隙耦合馈电，减少电流的分流效果，避免单极子变偶极子而造成的特性阻抗衰减的现象.同时设置反射面b+，b-的重叠面的面积大小来调整频点的位置和频段的偏移。
2.参数指标
2.1 驻波比
在0.8GHz～1.0GHz/1.7GHz～2.5GHz之间驻波比在2.0以下，涵盖了移动通信2G、3G和WLAN频段.对于本偶极子天线，能保证形成有效性能的前提是a-与b-和a+与b+之间的电磁耦合效果，则此时缝隙的存在是传输线对地板辐射耦合存在的必要前提，而缝隙尤其影响低频段的性能，对高频段影响也存在，但在一定程度上甚至改善着高频段性能。
2.2 阻抗匹配
天线设计中，影响天线与同轴线的匹配因素有很多，诸如传输线的前后宽度、长度，缝隙宽度与传输线对应点宽度的比例，接地面的形状以及重合面的大小.以下着重从介质板入手分析其厚度对反射系数（S11）影响，如图2所示.在0.8GHz～1.1GHz频段，S11参数曲线从最底层曲线起，基板厚度从1.0到2.0中间选取6个参考点来优化分析，其中随着厚度的变薄，曲线逐渐整体下移，回波损耗变化趋势明显.由于塑料板的强度以及韧性问题，此次设计尺寸为140*90*1.0mm，采用介电常数为4.4的FR4的高性能塑料板。
2.3 方向图参数分析
天线的方向图特性被诸多天线参数影响，在这些参数中，耦合结构影响最为显著.在同轴从中间馈电使电流两等长支臂反向延伸时，因振子表面波的影响和分流效应，导致天线的特性阻抗减半而引起的阻抗不匹配.所以在考虑电磁波辐射效应的同时，利用振子之间的耦合效果，故全部结构采用全耦合的方法.如图3所示，在1.7GHz～2.5GHz，图3a为图1b的结构所显示的3D增益方向图，图3b为a-与b+的位置交换，没有1，2，3，4等槽的作用.从图3a图3b比较可以得出，耦合的结果相当于单极子的方向图特性，但是增益明显增高.而非耦合虽然是覆盖范围广但增益不高。
3.实物测试及性能
如图4a、图4b所示，以及利用安捷伦矢量网络分析仪对其驻波性能进行测试.在0.8GHz～1.0GHz和1.7GHz～2.5GHz频段测试的驻波比值如图4c、图4d所示.由于测试环境对驻波性能测试的影响还是存在的，所以测试数据和仿真数据存在差异.在此特注：图4c图中0.8GHz～1.0GHz的最大驻波比值为1.56，此时的频点为800MHz；图4d中1.7GHz～2.5GHz驻波比值最大处在2.18GHz值为1.67，总体效果比仿真结果性能更优。
4.结论
此款天线在移动2G、3G频段均有良好效果，且易隐藏，安装方便，适用于移动通信室内分布系统中.然在驻波增益方面有进一步地提高，在接下来的研究中会注重提高驻波和增益性能。
参考文献
[1] 康行健.天线原理与设计[M].北京：北京邮电大学出版社，1933：51—55
[2] Yong S S，C Saehansol，K Hynchul，et al.H-shaped dipole array antenna for broadband operation[J].IEEE ICWITS.2010（3）：1-4.
[3] Jhin-Fang Huang，Jiun-Yu Wen，Jian-Quan Chen.Planar Coupled UWB Dipole Antenna with Notched Function to Prevent ISM Band from Interference[J]. IEEE Computer Socity CMC，2009（1）：60-64.
[关键词]宽带 平面偶极子 交叉馈电 缝隙耦合 异面偶极子
中图分类号：TN821.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）10-0006-01
1.天线设计
如图1所示，图1a为天线的俯视图，图1b为天线的仰视图.图1中的阴影部分为镀铜层，1，2，3，4分别为馈面上挖的渐变槽，c+、c-为渐变传输线.此天线采用背馈技术从中心处馈电，通过同轴线将电磁波传送到c+，经过阻抗变换后传输给辐射面a+，传输线的距离为41.5mm.在传输的过程中，传输线边缘电磁波通过耦合将部分电磁波辐射到b+，再由b+达到部分辐射效果.在底面中，b-接地，寄生辐射单元a-，c-与b-耦合的同时，也接受b+的耦合效果.为改善整个馈线与辐射面的耦合效果，1，2，3，4的结构调谐了整个结构的耦合系数。
天线在整体结构设计中均是利用交叉馈电异面结构和缝隙耦合馈电，减少电流的分流效果，避免单极子变偶极子而造成的特性阻抗衰减的现象.同时设置反射面b+，b-的重叠面的面积大小来调整频点的位置和频段的偏移。
2.参数指标
2.1 驻波比
在0.8GHz～1.0GHz/1.7GHz～2.5GHz之间驻波比在2.0以下，涵盖了移动通信2G、3G和WLAN频段.对于本偶极子天线，能保证形成有效性能的前提是a-与b-和a+与b+之间的电磁耦合效果，则此时缝隙的存在是传输线对地板辐射耦合存在的必要前提，而缝隙尤其影响低频段的性能，对高频段影响也存在，但在一定程度上甚至改善着高频段性能。
2.2 阻抗匹配
天线设计中，影响天线与同轴线的匹配因素有很多，诸如传输线的前后宽度、长度，缝隙宽度与传输线对应点宽度的比例，接地面的形状以及重合面的大小.以下着重从介质板入手分析其厚度对反射系数（S11）影响，如图2所示.在0.8GHz～1.1GHz频段，S11参数曲线从最底层曲线起，基板厚度从1.0到2.0中间选取6个参考点来优化分析，其中随着厚度的变薄，曲线逐渐整体下移，回波损耗变化趋势明显.由于塑料板的强度以及韧性问题，此次设计尺寸为140*90*1.0mm，采用介电常数为4.4的FR4的高性能塑料板。
2.3 方向图参数分析
天线的方向图特性被诸多天线参数影响，在这些参数中，耦合结构影响最为显著.在同轴从中间馈电使电流两等长支臂反向延伸时，因振子表面波的影响和分流效应，导致天线的特性阻抗减半而引起的阻抗不匹配.所以在考虑电磁波辐射效应的同时，利用振子之间的耦合效果，故全部结构采用全耦合的方法.如图3所示，在1.7GHz～2.5GHz，图3a为图1b的结构所显示的3D增益方向图，图3b为a-与b+的位置交换，没有1，2，3，4等槽的作用.从图3a图3b比较可以得出，耦合的结果相当于单极子的方向图特性，但是增益明显增高.而非耦合虽然是覆盖范围广但增益不高。
3.实物测试及性能
如图4a、图4b所示，以及利用安捷伦矢量网络分析仪对其驻波性能进行测试.在0.8GHz～1.0GHz和1.7GHz～2.5GHz频段测试的驻波比值如图4c、图4d所示.由于测试环境对驻波性能测试的影响还是存在的，所以测试数据和仿真数据存在差异.在此特注：图4c图中0.8GHz～1.0GHz的最大驻波比值为1.56，此时的频点为800MHz；图4d中1.7GHz～2.5GHz驻波比值最大处在2.18GHz值为1.67，总体效果比仿真结果性能更优。
4.结论
此款天线在移动2G、3G频段均有良好效果，且易隐藏，安装方便，适用于移动通信室内分布系统中.然在驻波增益方面有进一步地提高，在接下来的研究中会注重提高驻波和增益性能。
参考文献
[1] 康行健.天线原理与设计[M].北京：北京邮电大学出版社，1933：51—55
[2] Yong S S，C Saehansol，K Hynchul，et al.H-shaped dipole array antenna for broadband operation[J].IEEE ICWITS.2010（3）：1-4.
[3] Jhin-Fang Huang，Jiun-Yu Wen，Jian-Quan Chen.Planar Coupled UWB Dipole Antenna with Notched Function to Prevent ISM Band from Interference[J]. IEEE Computer Socity CMC，2009（1）：60-64.